包括布置在半节距间距处的用于形成连接结构的金刚石切削刀头的切削工具组件的制作方法

专利名称：包括布置在半节距间距处的用于形成连接结构的金刚石切削刀头的切削工具组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及工件(诸如用于制造微复制结构的微复制工具)的金刚石 加工。
背景技术：
金刚石加工技术可用于制造诸如微复制工具之类的多种工件。微复制 工具常用于挤出工艺、注塑成型工艺、压花工艺、浇注工艺或类似工艺中 以形成微复制结构。微复制结构可以包括光学膜、研磨膜、粘合剂膜、具
有自配合外形的机械紧固件、或具有相对较小尺寸(如小于约iooo微米)
的微复制结构的任何模制或挤出部件。 — 微复制工具包括浇注带、浇注辊、注射模具、挤出或压花工具等。可 通过金刚石加工工艺制造微复制工具，该工艺采用切削工具组件在微复制 工具中切出槽或其它结构。采用切削工具组件制造微复制工具的工艺成本 高且耗时。

发明内容
一般来讲，本发明涉及切削工具组件，其包括用来限定多个切削刀头 的多个金刚石。具有多个金刚石的切削工具组件可用于制造微复制工具或 其它工件。根据本发明，在切削工具组件内精确布置有至少两个金刚石， 一个用于切槽，另一个用于切出连接结构。在一些情况下，在切削工具组 件内精确布置有三个金刚石，例如，在两个槽结构之间切出一个连接结
A 例如，金刚石的切削刀头可用来形成微复制工具中的槽，而连接结构 被限定在微复制工具中的两个槽之间。在切削工具组件中布置第一金刚石 以形成微复制工具中的第一槽，在切削工具组件中布置第二金刚石以形成微复制工具中的第二槽。第一槽和第二槽限定了使用微复制工具形成的微 复制结构的整数个节距间距。此外，在切削工具组件中在第一与第二金刚 石之间布置第三金刚石，以在微复制工具中在第一槽与第二槽之间形成连 接结构。在这种意义上，第三金刚石的切削刀头相对于第一和第二金刚石 的切削刀头布置在整数个节距间距加上半个节距间距处。
该切削工具组件可以包括安装结构和安装在该安装结构中的多个刀 柄。每个刀柄可限定用作切削工具组件的切削刀头的金刚石刀头。可以精 确制成和布置刀柄的至少两个金刚石切削刀头，以对应将在微复制工具中 形成的槽。可以精确制成和布置刀柄的至少一个金刚石切削刀头，以对应 将在微复制工具中在两个槽之间形成的连接结构。
可利用显微对齐技术将第一和第二刀柄精确布置在安装结构内，以使 得第一和第二金刚石刀头的切削位置相对彼此限定一个节距间距。因此， 切削工具组件的第一和第二金刚石刀头可能对应于将在微复制工具中形成 的不同槽，这些槽具有由金刚石刀头的切削位置限定的整数个节距间距。 可利用显微对齐技术将第三刀柄精确布置在安装结构内，以使得第三金刚 石刀头的切削位置处于第一与第二金刚石刀头的切削位置之间。第三金刚 石布置为可切出比第一和第二金刚石更浅的深度，从而可在由第一和第二 金刚石形成的槽之间形成连接结构。该连接结构可以在两个槽之间限定平 坦连接结构，或者可以限定具有比第一和第二金刚石刀头形成的槽深度更 浅的复杂连接结构。
在一个实施例中，本发明提供一种切削工具组件，该组件包括安装 结构；安装在该安装结构中的第一刀柄，该第一刀柄限定对应于将在工件 中形成的第一槽的第一金刚石刀头；以及安装在该安装结构中的第二刀 柄，该第二刀柄限定对应于将在工件中形成的第二槽的第二金刚石刀头， 其中第一和第二金刚石刀头的位置限定将在工件中形成的槽之间的整数个 节距间距。此外，切削工具组件包括安装在安装结构中并位于第一与第二 刀柄之间的第三刀柄，该第三刀柄限定将在工件中在第一与第二槽之间形 成连接结构的第三金刚石刀头。
在另一个实施例中，本发明提供一种用于在微复制工具中形成槽的金 刚石切削机，该切削机包括切削工具组件和用来容纳切削工具组件并控制切削工具组件相对于微复制工具的位置的设备。该切削工具组件包括安 装结构；安装在该安装结构中的第一刀柄，该第一刀柄限定对应于将在微 复制工具中形成的第一槽的第一金刚石刀头；安装在该安装结构中的第二 刀柄，该第二刀柄限定对应于将在微复制工具中形成的第二槽的第二金刚 石刀头，其中第一和第二金刚石刀头的位置限定将在微复制工具中形成的 槽的整数个节距间距；以及安装在该安装结构中的第三刀柄，该第三刀柄 限定将在微复制工具中在第一与第二槽之间形成连接结构的第三金刚石刀 头。在另一个实施例中，本发明提供一种切削工具组件，该组件包括安 装结构；安装在该安装结构中的第一刀柄，该第一刀柄限定对应于将在工件中形成的第一槽的第一金刚石刀头；安装在该安装结构中的第二刀柄，该第二刀柄限定对应于将在工件中形成的第二槽的第二金刚石刀头，其中第一和第二金刚石刀头的位置限定工件的相邻槽之间的节距；安装在该安 装结构中的第三刀柄，该第三刀柄限定将在该工件中在第一与第二槽之间 形成连接结构的第三金刚石刀；以及将第一、第二和第三刀柄固定在安装 结构中的装置，使得第一金刚石刀头相对于第二金刚石刀头的切削位置限 定的节距的公差在小于约IO微米的范围内，第三金刚石刀头相对于第一和 第二金刚石刀头的切削位置限定的半节距的公差在小于约10微米的范围 内。在另一个实施例中，本发明提供了一种方法，该方法包括为微复制工 具限定节距间距及通过如下方式制造用于形成微复制工具的切削工具组 件将第一和第二刀柄布置在安装结构中，使得连接到第一刀柄的第一金 刚石刀头的切削位置与连接到第二刀柄的第二金刚石刀头的切削位置相距 限定距离，该限定距离对应于整数个节距间距，其中该限定距离精确到公差小于约10微米；将第三刀柄布置在安装结构中，以使得连接到第三刀柄的第三金刚石刀头的切削位置位于第一与第二金刚石刀头的切削位置之 间，用于在微复制工具中形成连接结构。在另一个实施例中，本发明包括一种切削工具组件，该组件包括安 装结构；安装在该安装结构中的第一刀柄，该第一刀柄限定对应于将在工 件中形成的槽的第一金刚石刀头；以及安装在该安装结构中的第二刀柄，该第二刀柄限定对应于将在工件中形成的连接结构的第二金刚石刀头，其 中第二金刚石刀头与第一金刚石刀头相距整数个节距间距加上半个节距间 距，其中节距是指该工件中形成的相邻槽之间的距离。通过在同一切削工具组件内使用多个金刚石切削刀头，可改进或简化 微复制工具的制造。具体地讲，切削工具组件在微复制工具中切出槽和连 接结构所需的切削道数可以减少，因此可降低加工成本。此外，本发明通过使用第三金刚石刀头来改善连接结构的形成，而不 是让连接结构保持在未加工状态并由微复制工具的初始未加工表面来限 定。在这种意义上，本发明使用位于两个槽切削刀头之间的第三金刚石刀 头形成加工过的连接结构，其中该第三金刚石刀头的切削深度比槽切削刀 头更浅。相对于第一和第二金刚石刀头来说，该第三金刚石刀头在微复制 工具中限定的结构是不同的。此外，在一个实例中，由第三金刚石刀头形 成的结构包括平坦连接结构。在这种情况下，本发明可改善由该金刚石切 削工具制成的微复制工具的平坦性。在另一个实例中，由第三金刚石刀头 形成的结构包括具有浅的子槽的连接结构，该子槽比第一和第二金刚石形 成的第一和第二槽更浅。在这种情况下，第一与第二槽之间的连接结构自 身即可限定将在微复制结构内形成的光学结构。在连接结构内形成的子槽 的宽度可能小于连接结构的宽度。下面将结合附图和描述介绍上述及其它实施例的更多细节。通过描 述、附图和权利要求书，可以充分理解其它特征、目标和优点。


图1是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的概念性俯视图。图2是构造为用于横向进给切削、螺纹切削或划线切削的多金刚石切削工具组件的概念性俯视图。 -图3是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的另一个实施例的概念性俯视图。图4是构造为用于横向进给切削、螺纹切削或划线切削的多金刚石切 削工具组件的另一个实施例的概念性俯视图。图5是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的另一个实施例的概 念性俯视图。图6是构造为用于横向进给切削、螺纹切削或划线切削的多金刚石切 削工具组件的另一个实施例的概念性俯视图。图7是在微复制工具的制造过程中同时切出两个槽和一个连接结构的 多金刚石飞切工具组件的概念性透视图。图8是在微复制工具的制造过程中同时切出两个槽和一个连接结构的多金刚石切削工具组件的概念性透视图。图9A-9D是各种横截面俯视图，示出了在工件中切出槽和平坦连接结 构的多金刚石切削工具组件。图10A-10D是各种横截面俯视图，示出在工件中切出槽和带有子结构 的连接结构的多金刚石切削工具组件。图11是示例性金刚石的透视图，该金刚石可在多金刚石切削工具组件 中用作位于节距间距处的槽切削金刚石之一。图12是示例性金刚石的透视图，该金刚石可在多金刚石切削工具组件 中用作位于半节距间距处的连接结构切削金刚石。 —图13是示例性金刚石的透视图，该金刚石可在多金刚石切削工具组件 中用作位于半节距间距处的连接结构切削金刚石，以切出带微槽的连接结 构。图14是根据本发明实施例的飞切工具的另一个透视图。图15是显微对齐的飞切工具的透视图。图16是根据本发明的飞切工具的可选实施例的俯视图。
具体实施方式
本发明涉及包括多个金刚石的切削工具组件。具有多个金刚石的切削 工具组件可用于制造微复制工具或其它工件。该微复制工具又可以用来形 成微复制结构，诸如光学膜、研磨膜、粘合剂膜、具有自配合外形的机械 紧固件、或具有相对较小尺寸(如小于约1000微米)的微复制结构的任何 模制或挤出部件。在以下描述中，将以制造光学膜为背景描述本发明的各个方面。在这 种情况下，将使用本文所述的切削工具组件来制造微复制工具，并继而使 用微复制工具来制造光学膜。然而，所述切削工具组件可以用来制造多种 其它工件。因此，所述切削工具组件并不限于用来制造微复制工具或光学 膜，而是还可以用于许多其它加工应用。图1是切削工具组件10的俯视图，该组件包括安装在安装结构14中的三个刀柄ll、 12和13。切削工具组件10构造为用于飞切，其中组件IO 绕轴线15旋转。例如，组件10可以安装到传动轴16上，而传动轴可由加 工机器(未示出)的马达驱动以旋转组件10。安装结构14可以包括用来 固定刀柄11、 12和13的结构，刀柄11、 12禾卩13分别具有金刚石刀头 17、 18和19。刀柄ll、 12和13可以由金属或复合材料制成，金刚石可通 过基本上永久性的固定机理(如软钎焊、硬钎焊或粘合剂)固定到刀柄 11、 12或13上。作为另外一种选择，可以将刀柄永久固定到卡座(未示 出)上，卡座则可拆卸地固定在飞轮上。图14是飞切工具140的透视图， 其中刀柄147被永久固定在卡座146上，卡座则可拆卸地固定在飞轮142 上。下文中对图14进行了更详细的描述。再次参见图1，其中至少三个金刚石切削表面(例如金刚石刀头17、 18和19)被精确布置在切削工具组件10上。然后用切削工具组件10在工 件中形成槽以制成微复制工具，并且形成微复制工具中的位于槽之间的连 接结构。更具体地讲，第一金刚石布置为使第一金刚石刀头17能在微复制 工具中形成第一槽，第二金刚石布置为使第二金刚石刀头18能在微复制工 具中形成第二槽。第一槽和第二槽在微复制工具中限定了整数节距间距， 并对应于在随后用微复制工具制成的光学膜中形成的节距。虽然图中第一 刀头17和第二刀头18显示为切出深度相似的槽，但本发明并不一定局限 于此。例如，本发明也设想了一种工具，其包括第一深度的第一槽切削刀 头、第二深度的第二槽切削刀头和位于第一与第二槽切削刀头之间的连接 结构切削刀头，该连接结构切削刀头形成具有小于第一深度和第二深度的 第三深度的连接结构。一个节距间距在图1中用"P"表示。然而，"P"更一般地是指整数 个节距。如果间距大于一个节距，则切削工具在随后几道切削中可能将切削刀头平移一个节距，以在节距处形成结构。在以下描述中，为简单起 见，以槽切削金刚石刀头17和18之间具有一个节距间距为背景来描述本 发明。然而，应当理解，更一般地说，槽切削金刚石刀头可间隔整数个节 距间距，连接结构切削金刚石刀头19间隔整数个间距节距加上半个节距间距。如图1所示，第三金刚石布置在第一与第二金刚石之间，以使第三金刚石刀头19在微复制工具的第一与第二槽之间形成连接结构。在这种意义上，第三金刚石的切削刀头相对于第一和第二金刚石的切削刀头布置在半节距处。该半节距间距在图1中用"^P"表示。然而同样，第三金刚石刀头19更一般地可以间隔整数个节距间距加上半个节距间距。使用节距间距和半节距间距的符号是为了简化下文描述，但本发明更一般设想的情形是槽切削刀头间隔整数个节距间距，连接结构切削刀头间隔整数个节距间距 加半个节距间距。根据待制造的微复制工具的尺寸，节距间距可以小于约5000微米、小 于约1000微米、小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米、小 于约50微米、小于约10微米、小于约5微米或小于约1微米。每个刀柄11、 12和13限定用作切削工具组件10的切削刀头的至少一 个金刚石刀头，但也可在刀柄11、 12和13中的一个或多个上使用多刀头 金刚石。同样，要精确制成和布置至少两个金刚石切削刀头(例如切削刀 头17和18)，以对应将在微复制工具中形成的槽；要精确制成和布置至 少一个金刚石切削刀头(例如切削刀头19)，以对应将在微复制工具的两 个槽之间形成的连接结构。然而，可使用任意数量的金刚石，并将槽限定 在节距间距(或整数个节距间距)处，将连接结构限定在半节距间距(或 整数个节距间距加上半个节距间距)处。当使用由切削工具组件10制成的 微复制工具来制造光学膜时，微复制工具中的槽可以对应光学膜中的连接 结构，微复制工具中的连接结构可以对应光学膜中的槽。第三金刚石刀头19被布置成切出比第一金刚石刀头17和第二金刚石 刀头18更浅的深度，以在微复制工具中的槽之间形成连接结构。例如，高 度H,可以大于高度H2，这样金刚石刀头17和18到轴线15的距离就大于金 刚石刀头19到轴线15的距离。因此，金刚石刀头17和18切入微复制工具的深度比金刚石刀头19切入的更深，以使得金刚石刀头17和18形成 槽，而金刚石刀头19形成连接结构。该连接结构可以在两槽之间限定平坦连接结构，或可以限定深度比第 一和第二金刚石刀头形成的槽浅的更复杂的连接结构。在任何一种情况 下，都可改进加工工艺，尤其是连接结构形成工艺。在图1的实例中，由第三金刚石刀头19形成的结构可以包括平坦连接结构，在这种情况下，本 发明可以改善由切削工具组件10制成的微复制工具的平坦性。具体地讲，相对于具有未加工连接结构(与工件的原始表面相符合)的微复制工具来 说，加工过的连接结构的平坦性可以得到改善。在另一个实例中(例如，如以下参考图5和图6所示及所述)，由第三金刚石(或位于半节距间距处的其它金刚石)形成的连接结构可以包括这样的连接结构，即该连接结构包括比第一和第二金刚石形成的第一和第二槽更浅的槽。在这种情况 下，第一与第二槽之间的连接结构自身即可限定要利用微复制工具在微复制结构内形成的另一个光学结构.。切削工具组件10可以用来通过切削工具组件10的一道切削在微复制工具上切出多个槽以及槽之间的至少一个连接结构。因此，相对于使用单 刀头工具，可以縮短与制造微复制工具相关的切削时间，或者在给定时间 段内切出更复杂的图案。这样，可以缩短与最终形成微复制结构相关的生 产周期，并可以简化生产工艺。还可以避免在连接结构上进行后续切削， 进而避免与这类后续切削相关的传统对齐问题。例如，可以采用研磨技术、磨削技术、或聚焦离子束铣削工艺形成刀柄11、 12和14中的金刚石刀头17、 18和19。本文还描述了可以用于制 造不同微复制工具的各种形状和尺寸的金刚石刀头。特别可以采用聚焦离 子束铣削工艺极其准确地将金刚石刀头加工成完美的所需形状。可使用显微定位技术将切削工具组件的不同刀柄安装在安装结构上。 例如，这些技术可能涉及使用带定位控制的工具显微镜。该显微镜可以用 来识别和测量金刚石刀头相对于彼此的位置，以便将刀柄正确地布置在安 装结构内。可提供定位反馈来量化金刚石刀头的位置，例如以数字读数、 模拟读数、图形显示或类似方式提供反馈。可利用反馈在安装结构中精确 定位不同的刀柄。定位后，可通过任何合适的固定机理将刀柄固定在安装结构内。这样，刀柄可以定位在安装结构内，使得第一金刚石刀头的切削 位置与第二金刚石刀头相距一个节距，并且第三金刚石刀头的切削位置与 第一和第二切削刀头相距半个节距。使用显微镜和定位反馈将多个刀柄精确布置在安装结构内，如此可确 保金刚石刀头彼此之间的相对位置保持在有效加工微复制工具所需的公差 内。具体地讲，定位公差可小于10微米，更优选地是小于l微米。此外， 使用类似本文所述的工具调整显微镜，可使金刚石刀头相对于彼此的定位 公差为约0.5微米。对于高效加工可用于形成多种微复制结构(如微复制 光学膜、微复制机械紧固件、微复制研磨膜、微复制粘合剂膜、或类似结 构)的微复制工具来说，这种精确的定位是期望的。为了将金刚石固定在刀柄11、 12和13中以限定金刚石刀头17、 18和 19，可使用基本上永久性的固定机理(如硬钎焊、软钎焊、环氧树脂之类的粘合剂、等等)。然后再通过临时固定机构(如一个或多个螺栓、夹具或固定螺钉(未示出))将带有金刚石刀头17、 18和19的刀柄11、 12和 13安装到安装结构14中。作为另外一种选择，可以使用硬钎焊、软钎 焊、环氧树脂之类的粘合剂或其它更永久性的固定机理将刀柄11、 12和 13固定到安装结构14中。在任何情况下，使用具有定位控制和定位反馈 的工具调整显微镜都可确保将刀柄11、 12和13布置在安装结构14中，以 使得金刚石刀头17、 18和19以有效制造微复制工具所需的精度相对于彼 此定位。安装结构14可具有允许切削工具组件10插入金刚石切削机内的 形状。图2是构造为用于划线切削、横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切 削工具组件20的概念性俯视图。如图2所示，根据本发明的切削工具组件 可以具有不同构造，具体取决于其设计用途是飞切还是其它类型的切削。 其它非飞切的实例包括划线切削、横向进给切削或螺纹切削。在进行横向 进给切削时，切削工具组件20在限定位置处切入移动的工件中并停留一定 时间，然后移动到其它位置，以切出各种槽或其它结构。螺纹切削与横向 进给切削类似。然而，在进行螺纹切削时，切削工具组件20移位进入移动 的工件中并停留较长时间，以切出较长的螺纹槽。划线切削或划线与螺纹 切削类似，但在进行划线切削时，切削工具组件20非常缓慢地划过工件。类似图1的组件10，图2的切削工具组件20包括固定在安装结构24 中的多个刀柄21、 22和23。为了将金刚石固定在刀柄21、 22和23中以 限定金刚石刀头27、 28和29，可使用基本上永久性的固定机理(如硬钎 焊、软钎焊、环氧树脂之类的粘合剂，等等)。然后再通过临时固定机构 (如一个或多个螺栓、夹具或固定螺钉)将带有金刚石刀头27、 28和29 的刀柄21、 22和23安装到安装结构24中。作为另外一种选择，可以使用 硬钎焊、软钎焊、环氧树脂之类的粘合剂或另外一种更永久性的固定机理 将刀柄21、 22和23固定到安装结构24中。使用具有定位反馈的工具调整显微镜可确保以有效制造微复制工具所 需的精度将刀柄21、 22和23的金刚石刀头27、 28和29布置在安装结构 24中。安装结构24可具有允许切削工具组件20插入构造为用于横向进给 切削、螺纹切削或划线的金刚石切削机内的形状。类似图1，图2的切削工具组件20包括用于在工件中形成槽并相距一 个节距(P)的两个金刚石刀头27和28。第三金刚石刀头29位于距离刀 头27和28半个节距G力P)处，用于在工件中限定连接结构。同样，在本 文所述的实施例中，使用一个节距间距和半节距间距的符号是为了简化。 更一般地说，本公开设想的是槽切削刀头相隔整数个节距间距，连接结构 切削刀头相隔整数个节距间距加上半个节距间距。如果刀头的间距大于一 个节距(即，间距为大于1的整数个节距)，那么切削工具的后续几道切 削会在所需节距处形成槽。在以下描述中，每次谈及金刚石刀头的节距间 距时，都设想所述刀头相隔整数个节距间距，每次谈及金刚石刀头的半节 距间距时，都设想刀头相隔整数个节距间距加上半个节距间距。图3是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件30的另一个实施例的 概念性俯视图。在该实例中，使用了更多个刀柄和更多个金刚石刀头。事 实上，可以使用任意数量的刀柄和金刚石刀头。在图3的切削工具组件30 中，四个刀柄31A、 31B、 31C和31D (统称为刀柄31)限定用来形成槽结 构的金刚石刀头32A、 32B、 32C和32D (统称为金刚石刀头32)。金刚石 刀头32彼此之间的间距是一个节距(P)。此外，刀头32布置在高度H, 处，以限定微复制工具中槽的深度。切削工具组件30还包括另外四个刀柄33A、 33B、 33C和33D(统称为 刀柄33)，它们限定用来形成连接结构的金刚石刀头34A、 34B、 34C和 34D (统称为金刚石刀头34)。金刚石刀头34彼此之间的间距也是一个节 距(P),但相对于用来形成槽的刀头32的间距是半个节距。刀头34布置 的高度H2小于刀头32的高度H,。这样，在加工用于形成微复制结构的微复 制工具时，连接结构的平坦性得以改善。图4是构造为用于划线切削、横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切 削工具组件40的另一个实施例的概念性俯视图。类似图3中的实例，图4 中使用了多个刀柄和多个金刚石刀头。同样，也可以使用任意数量的刀柄 和金刚石刀头。在图4的切削工具组件40中，四个刀柄41A、 41B、 41C和 41D (统称为刀柄41)限定用来形成槽结构的金刚石刀头42A、 42B、 42C 和42D (统称为金刚石刀头42)。金刚石刀头42彼此之间的间距是一个节 距(P)。此外，刀头42布置在一定高度处，以限定微复制工具中槽的深 度。切削工具组件40还包括布置在刀柄41之间的另外四个刀柄43A、 43B、 43C和43D (统称为刀柄43)。刀柄43限定用来形成连接结构的金 刚石刀头44A、 44B、 44C和44D (统称为金刚石刀头44)。金刚石刀头44 彼此之间的间距也是一个节距(P)，但相对于用于形成槽的刀头42的间 距是半个节距。刀头44布置的高度小于刀头42的高度。这样，在加工用 于形成微复制结构的微复制工具时，连接结构的平坦性得以改善。图5是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件50的另一个实施例的 概念性俯视图。在图5的切削工具组件50中，四个刀柄53A、 53B、 53C和 53D (统称为刀柄53)限定用来形成槽结构的金刚石刀头54A、 54B、 54C 和54D (统称为金刚石刀头54)。金刚石刀头54彼此之间的间距是一个节 距(P)。此外，刀头54布置在高度H,处，以限定微复制工具中槽的深 度。切削工具组件50还包括另外四个刀柄51A、 51B、 51C和51D (统称为 刀柄51)，它们限定用来形成连接结构的金刚石刀头52A、 52B、 52C和 52D (统称为金刚石刀头52)。金刚石刀头52彼此之间的间距也是一个节 距(P)，但相对于用来形成槽的刀头54的间距是半个节距。刀头52布置的高度H2小于刀头54的高度比。这样，在加工用于形成微复制结构的微复制工具时，连接结构的平坦性得以改善。此外，相比图3的切削工具组件 30，用来形成连接结构的金刚石刀头52包括可限定连接结构中的微槽子结 构的子刀头。这样，可以形成更复杂的连接结构，例如可以制造更复杂的 光学膜。图6是构造为用于划线切削、横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切 削工具组件60的另一个实施例的概念性俯视图。类似图4中的实例，图6 中使用了多个刀柄和多个金刚石刀头。同样，也可以使用任意数量的刀柄 和金刚石刀头。在图6的切削工具组件60中，四个刀柄61A、 61B、 61C和 61D (统称为刀柄61)限定用来形成槽结构的金刚石刀头62A、 62B、 62C 和62D (统称为金刚石刀头62)。金刚石刀头62彼此之间的间距是一个节 距(P)。此外，刀头62布置在一定高度处，以限定微复制工具中槽的深 度。切削工具组件60还包括布置在刀柄61之间的另外四个刀柄63A、 63B、 63C和63D (统称为刀柄63)。刀柄63限定用来形成连接结构的金 刚石刀头64A、 64B、 64C和64D (统称为金刚石刀头64)。金刚石刀头64 彼此之间的间距也是一个节距(P)，但相对用来形成槽的刀头62的间距 是半个节距。刀头64布置的高度小于刀头62的高度。这样，在加工用于 形成微复制结构的微复制工具时，连接结构的平坦性得以改善。类似图5 的切削工具组件50，图6的切削工具组件60所使用的连接结构切削金刚 石刀头64包括可限定连接结构中的微槽子结构的子刀头。这样，可以形成 更复杂的连接结构，例如可以制造更复杂的光学膜。图7和8是在制造微复制工具72 (图7)或82 (图8)过程中使用多 金刚石切削工具组件10和20同时切出两个槽的系统70和80的概念性透 视图。在图7和8的实例中，各微复制工具72或82包括浇注辊，但也可 使用切削工具组件10或切削工具组件20制造其它微复制工具，如浇注 带、注射模具、挤出或压花工具等等。在一些实例中，工件可以是平面 的，而不是图7和8中所示的辊子。在图7中，切削工具组件10可以绕轴 线旋转。切削工具组件10还可以相对微复制工具72侧向移动(如箭头所 示)。同时，微复制工具72可以绕轴线旋转。当切削工具组件10旋转时，两个金刚石刀头在微复制工具72中切出槽，同时第三金刚石刀头在两 个槽之间切出连接结构。这样，切削工具组件10通过一道切削形成两个 槽，并在两个槽之间形成高品质的连接结构。还可以例如通过使形成连接 结构的金刚石刀头具有更复杂的形状，来限定更复杂的连接结构。如图8所示，可以将切削工具组件20固定到金刚石切削机84上，切 削机可相对于微复制工具82定位切削工具组件20，并使切削工具组件20 相对于微复制工具82例如侧向运动(如箭头所示)。同时，微复制工具 82可以绕轴线旋转。金刚石切削机84可以被构造成利用横向进给切削或 螺纹切削技术将切削工具组件20切入旋转的微复制工具82，以便在微复 制工具82中切出槽。作为另外一种选择，金刚石切削工具84可以构造为 用于划线切削或划线，在这种情况下，切削工具组件20会非常缓慢地划过 微复制工具82。在任何情况下，都可以在微复制工具82上形成槽和高品 质的连接结构。所形成的槽和连接结构可以限定使用微复制工具72 (图 7)或82 (图8)例如在挤出工艺中所形成的微复制结构的最终形状。如果需要，系统70和80可以使用快速刀具伺服系统(未示出)。例 如，参见图8，可以在切削工具组件20与容纳切削工具组件20的切削机 84之间使用快速刀具伺服系统。在这种情况下，快速刀具伺服系统可以振 动切削工具组件20，以在微复制工具82中形成特定的微观结构。由于切削工具组件10和20具有多个刀柄，因而具有多个金刚石刀 头，因此切削工具组件在微复制工具上切出槽所需的切削道数也更少。这 可降低生产成本并加快与制造微复制工具相关的生产周期。此外，通过使 用第三金刚石刀头，系统70和80可以改善连接结构的形成，而不是让连 接结构保持在未加工状态并由微复制工具72或82的初始未加工表面来限 定。在图7和8所示实例中，由第三金刚石刀头形成的结构包括平坦连接 结构。在这种情况下，本发明可改善由金刚石刀头10和20所制成的微复 制工具72和82的平坦性。但是，在其它实例中，由第三金刚石刀头形成 的结构包括具有较小的浅槽(或其它子结构)的连接结构。在这种情况 下，第一与第二槽之间的连接结构自身即可限定将在微复制结构内形成的光学结构。连接结构内形成的子结构的宽度可能小于连接结构的宽度。微复制工具72和82或采用本文所述技术制造的任何工件可以由铜、 镍、铝、塑料(如丙烯酸树脂)或能够机械被加工的任何材料制成。本文 所述机械加工技术通常可以由以下方式实现只移动金刚石切削刀头，只 让工件相对于金刚石切削刀头移动，或同时移动工件和金刚石切削刀头。本文所述的金刚石刀头的尺寸可以由切削高度(H切削)、切削宽度(W M)和上文定义的节距变量(P)及(^P)来限定。切削高度(H切肖y)限定 金刚石能够在工件中切出的最大深度，并且也可以称为切削深度。切削宽 度(W M)可以被定义为平均切削宽度或刀头的最大切削宽度。另一个可用来限定切削刀头尺寸的量称为纵横比。纵横比是指高度(H TO)与宽度 (w切削)的比。采用聚焦离子束铣削工艺制成的金刚石刀头可获得各种高度、宽度、节距和纵横比。例如，形成的高度(H切削)禾P/或宽度(W切削)可小于约500微米、小 于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约10微米、小于 约1.0微米或小于约0.1微米。另外，节距变量(P)可以限定为小于约 5000微米、小于约1000微米、小于约500微米、小于约200微米、小于 约100微米、小于约50微米、小于约10微米、小于约5微米、小于约 1.0微米，并且可以接近0.5微米。在一些情况下，通过偏移定位刀柄可 以使节距(P)小于刀柄的宽度。纵横比(H切削W切削)可以限定为大于约1:5、大于约1:2、大于约 1:1、大于约2:1或大于约5:1。也可以使用聚焦离子束铣削工艺获得更大 或更小的纵横比。这些不同的形状和尺寸可能有利于不同应用。聚焦离子束铣削是指向金刚石发射加速的离子(如镓离子)以铣削掉 金刚石原子的工艺，有时也称之为烧蚀。加速的镓离子可以一个原子一个 原子地移除金刚石中的原子。也可以采用利用水蒸汽的蒸汽增强技术来改 进聚焦离子束铣削工艺。 一种合适的聚焦离子束铣床是可从FEI Inc. (Portland, Oregon)商购获得的9500型Micrion。 一般来讲，可采用聚焦 离子束铣削工艺来加工对应于要形成的结构的精密金刚石刀头。 一家提供 可以用于加工一个或多个离子束铣削金刚石的聚焦离子束铣削服务的示例 性供应商是 Materials Analytical Services (Raleigh, North Carolina)。聚焦离子束铣削工艺通常非常昂贵。因此，为降低与多刀头金刚石的 制造相关成本，希望金刚石刀头在进入聚焦离子束铣削工序之前，首先对 要用离子束铣削的金刚石刀头进行初始处理。例如，可以使用成本较低廉 的技术(如研磨或磨削)去除金刚石刀头的大部分。聚焦离子束铣削工艺 可确保获得上面列出的一个或多个尺寸或结构。此外，在进行聚焦离子束 铣削之前对金刚石刀头进行初始处理，可縮短形成最终经过离子束铣削的 金刚石刀头所需的聚焦离子束铣削时间。研磨是指用松散的磨料从金刚石 上去除材料的工艺，而磨削是指用固定在介质或基底中的磨料从金刚石上 去除材料的工艺。图9A-9D是各种横截面俯视图，示出了在工件92中切出槽的切削工具 组件90。具体地讲，图9A是横截面俯视图，示出了在工件92中切出第一 组槽和连接结构的多金刚石切削工具组件90。图9B是横截面俯视图，示 出在工件92中切出第二组槽和连接结构的多金刚石切削工具组件90。图 9C是横截面俯视图，示出了在工件92中切出第三组槽和连接结构的多金 刚石切削工具组件90。图9D是俯视图，示出通过切削工具组件90的四道 切削以后形成的工件92。工件92可以对应于上述微复制工具，但本发明 并不局限于此。如图所示，连接结构被与槽切削金刚石刀头相距半个节距 的连接结构切削金刚石刀头限定为平面和共面的。图10A-10D是各种横截面俯视图，示出在工件102中切出槽的切削工 具组件100。具体地讲，图10A是横截面俯视图，示出在工件102中切出 第一组槽和连接结构的多金刚石切削工具组件100。图10B是横截面俯视 图，示出在工件102中切出第二组槽和连接结构的多金刚石切削工具组件 100。图IOC是横截面俯视图，示出在工件102中切出第三组槽和连接结构 的多金刚石切削工具组件100。图10D是俯视图，示出通过切削工具组件 100的四道切削以后形成的工件102。类似图9D，图10D所形成的工件102 可以对应于上述微复制工具，但本发明并不局限于此。如图所示，连接结 构106是平面和共面的，但包括子结构107，在本实例中，该子结构是比 槽结构105更浅的微槽。图11是可固定到刀柄中并随后用于切削工具组件中的金刚石110的透 视图。金刚石110可以对应于上述金刚石刀头17、 18、 27或28中的任意一个。如图11所示，金刚石110可以限定由至少三个表面(S1-S3)限定的切削刀头112。表面Sl、 S2和S3可以采用磨削或研磨技术形成，并可 以采用聚焦离子束铣削技术进行精加工。图12是可固定到刀柄中并随后用于切削工具组件中的金刚石120的透 视图。金刚石120可以对应于上述金刚石刀头19或29中的任意一个。如 图12所示，金刚石120可以限定可用来形成平坦连接结构的平坦切削刀头 122。图13是可固定到刀柄中并随后用于切削工具组件中的金刚石130的透 视图。如图13所示，金刚石130可以限定平坦切削刀头132，该切削刀头 包括用来限定连接结构中的微槽子结构的小子刀头134。子刀头134的形 状可以类似于图11中的金刚石110的形状，但却是更大的金刚石130上的 小突出结构。带有平坦切削刀头132和子刀头134的金刚石130可用来限 定包括微槽的连接结构。同样，可以采用聚焦离子束铣削技术来限定本文 所述金刚石的形状。图14是根据本发明实施例的飞切工具的另一个透视图。在图14的工 具140中，飞轮142在飞切机144的传动轴上旋转。卡座146A-146G (统 称为卡座146)可拆卸地固定在飞轮142中。飞轮142是可接收刀柄147A-147G '(例如固定到可拆卸的卡座146中的刀柄)的安装结构的一个实例。 每一个卡座146包括至少一个刀柄147，而该刀柄包括用来在工件中切削 结构的至少一个金刚石刀头。在本实例中，卡座146A、 146C和146E限定 相对飞轮的旋转轴线横向间隔分布的槽切削刀头。同样，卡座146B、 146D 和146F限定相对飞轮的旋转轴线横向间隔分布的连接结构切削刀头。卡座146A、 146C和146E中的槽切削刀头可以采用递增间距以在工件 中限定三个按节距间隔的槽，而卡座146B、 146D和146F的连接结构切削 刀头的间距为半节距，以在工件中限定三个由连接结构间隔的槽。尽管图 示为交替构造，但槽切削刀头和连接结构切削刀头可以布置在飞轮的其它 卡座中。同样，尽管图示卡座146B、 146D和146F中的连接结构切削刀头 是平坦切削刀头，但这些平坦切削刀头也可以包括用来限定连接结构中的 微槽子结构的小子刀头，例如，如图13的金刚石130中所示。图15是正在采用显微技术对齐的飞切工具的透视图。具体地讲，为了 使金刚石刀头的对准度处于本文所述公差范围内，可以使用显微镜152。在显微镜152下，可以调节工具150的金刚石刀头的位置，以将各种切削刀头的间距精确限定在一个节距和半个节距。可用测角计进行调节，以确保飞轮156具有正确的角度定位。此外，可以使用X-Y挠性装置158来确 保固定在飞轮156上的各个卡座中的切削刀头具有正确的空间定位。显微 镜152用于确保切削刀头的角度和平面定位均在本文所述公差范围内。飞切工具的旋转中心可通过连接到飞切工具上的定位球和安装在飞切 工具心轴中的接收器孔来保持。接收器孔可与心轴的旋转轴线对齐。也可 以与飞切工具的配合面一起定位飞切工具导向球，以限定飞切工具的旋转 中心。可使用微动旋转调节装置对飞切工具进行调焦，而不必移动显微镜 载物台上的调焦装置。这样，由于自由度被锁定，因此就不需要从显微镜 的调焦台上进行精确对准和移动。可用测角计进行调节，以确保飞轮156 具有正确的角度定位。可将飞切工具的刀头置于旋转中心，以消除本来可 能存在的平移。可以用精密的X-Y挠性装置158使切削工具相对于转子本 体在两个自由度上平移而无反冲。对于一些切削工具，可在不移动显微镜载物台的情况下完成整个控制 工艺。当所有刀柄均安装就位时，可通过显微镜的载物台将显微镜的物镜 先移出去，再移回来就位，以对完成的切削器进行全面检查。当切削刀头 已调节至理想的位置和角度时，应用粘合剂锁定位置。可以使用保险销， 以免在后续切削操作过程中粘合剂失效。如果后续检査发现一个或多个刀 头的位置不正确，则可移除不符合规格的卡座和工具，并用不会干扰其它 工具的空卡座代替。可以提供螺纹孔以连接配重。此外，可以设置供平衡微调固定螺钉用 的径向螺纹孔。如果所装工具不足六个，可以用假卡座来充当配重。假卡 座可以包括未加工的平衡调节螺钉。由于是盘状设计，因此可能不需要动 态平衡。仅需直边之间保持静态平衡即可达到良好的平衡。可使用通孔作 为平衡轴。图16是根据本发明的飞切工具160的可选实施例的俯视图。类似图1 的切削工具组件10，图16的切削工具组件160包括至少三个金刚石切削表面，例如金刚石刀头167、 168和169。此外，可以将金刚石刀头167和 168的间距限定为一个节距，而将金刚石刀头169布置在相距金刚石刀头 167和168半节距处。但与图1的工具10不同，飞切工具160构造为使得金刚石刀头167、 168和169的切削位置平行于飞切工具160的旋转轴线165。在这种情况 下，金刚石刀头167、 168和169可以在工件中形成环形槽和连接结构。已经描述了多个实施例。具体地讲，已经描述了一种切削工具组件， 该组件限定对应于要在微复制工具中形成的槽的至少两个金刚石切削刀头 和对应于要在微复制工具中的槽之间形成的连接结构的至少一个金刚石切 削刀头。通过使用第三金刚石刀头，而不是让连接结构保持在未加工状态 并由微复制工具的初始未加工表面来限定，本发明对于改善连接结构的形 成尤其有用。然而，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可对本文所述结构和技 术进行各种修改。例如，可使用切削工具组件在其它类型的工件(如除微 复制工具之外的工件)中切出槽或连接结构。此外，在其它应用中，可以 如本文所述将两个或更多个槽切削金刚石固定在刀柄中，但可将切削刀头 固定在不同深度上。在这种情况下，槽切削金刚石可以相距整数个节距间 距，并可用来切削同一个槽，例如在切削工具的后续几道切削中，用不同 金刚石来产生越来越深的切口。在这种情况下，仍然可以用连接结构切削 金刚石来形成平的共面连接结构或具有本文所述子结构的连接结构。在其它情况下，在一个切削工具中可以使用两个连接结构切削金刚石 和一个槽切削金刚石。此外，为了形成更复杂的结构，连接结构切削金刚 石可以是非平坦的，以使得切削工具的一道切削形成不同深度的连接结 构。因此，其它具体实施方式
和实施例均在以下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种切削工具组件，包括安装结构；安装在所述安装结构中的第一刀柄，所述第一刀柄限定对应于将在工件中形成的第一槽的第一金刚石刀头；安装在所述安装结构中的第二刀柄，所述第二刀柄限定对应于将在工件中形成的第二槽的第二金刚石刀头，其中所述第一和第二金刚石刀头的位置限定将在工件中形成的所述槽之间的整数个节距；以及安装在所述安装结构中的位于所述第一与第二刀柄之间的第三刀柄，所述第三刀柄限定将在工件中在所述第一与第二槽之间形成连接结构的第三金刚石刀头。
2. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第三金刚石刀头的 切削位置相对于所述第一和第二金刚石刀头的切削位置布置在整数 个节距间距加上半个节距间距处。
3. 根据权利要求2所述的切削工具组件，其中所述第一与第二刀头之 间的间距小于约100微米，所述第三金刚石刀头的切削位置与所述 第一和第二金刚石刀头的切削位置的距离均小于50微米。
4. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第三金刚石刀头限 定基本上平坦的切削表面，以在所述工件中限定平坦的连接结构。
5. 根据权利要求4所述的切削工具组件，还包括用来限定基本上平坦 的切削表面的第四金刚石刀头，其中所述第三和第四金刚石刀头在 所述工件中限定共面的连接结构。
6. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第三金刚石刀头限 定非平坦的切削表面，以在所述工件中限定非平坦的连接结构。
7. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第三金刚石刀头包 括平坦部分和子刀头，以在所述工件中限定包括微槽子结构的连接 结构。
8. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述切削工具组件是飞 切组件，该飞切组件构造为绕垂直于所述金刚石刀头的切削方向的 轴线旋转。
9. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述工件包括用来制造 光学膜的微复制工具，所述第一和第二金刚石刀头成形为在所述微 复制工具中形成与将在光学膜中形成的结构相对应的槽，所述第三 金刚石刀头成形为在所述微复制工具中形成平坦的连接结构。
10. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述工件包括用来制造 光学膜的微复制工具，所述第一和第二金刚石刀头成形为在所述微 复制工具中形成与将在光学膜中形成的结构相对应的槽，所述第三 金刚石刀头成形为在所述微复制工具中形成与将在光学膜中形成的 不同结构相对应的非平坦的连接结构。
11. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一和第二金刚石 刀头的形状基本类似，所述第三金刚石刀头的形状与所述第一和第 二金刚石刀头的形状基本不同。
12. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一和第二刀柄安装为将所述整数个节距限定在小于约io微米的公差内。
13. —种用来在微复制工具中形成槽的金刚石切削机，包括 切削工具组件，包括安装结构；安装在所述安装结构中的第一刀柄，所述第一刀柄限定对应于将在微复制工具中形成的第一槽的第一金刚石刀头； 安装在所述安装结构中的第二刀柄，所述第二刀柄限定对应于将 在微复制工具中形成的第二槽的第二金刚石刀头，其中所述第一 和第二金刚石刀头的位置限定将在微复制工具中形成的所述槽之 间的整数个节距；以及安装在所述安装结构中的第三刀柄，所述第三刀柄限定用来在微 复制工具中在所述第一与第二槽之间形成连接结构的第三金刚石 刀头；以及用来容纳所述切削工具组件并控制所述切削工具组件相对于所述微 复制工具的位置的设备。
14. 根据权利要求13所述的金刚石切削机，其中所述切削机是使切削工 具组件绕轴线旋转的飞切机，所述设备包括将安装结构连接到马达 上的传动系。
15. 根据权利要求13所述的金刚石切削机，其中所述第一和第二金刚石 刀头成形为在所述微复制工具中形成与将在光学膜中形成的结构相 对应的槽，所述第三金刚石刀头成形为在所述微复制工具中形成平 坦的连接结构。
16. 根据权利要求13所述的金刚石切削机，其中所述第一和第二金刚石 刀头成形为在所述微复制工具中形成与将在光学膜中形成的结构相 对应的槽，所述第三金刚石刀头成形为在所述微复制工具中形成与 将在光学膜中形成的不同结构相对应的非平坦的连接结构。
17. —种方法，包括 为微复制工具限定节距间距；通过以下步骤制造用于形成微复制工具的切削工具组件 —在安装结构中定位第一和第二刀柄，以使得连接到所述第一刀柄 上的第一金刚石刀头的切削位置与连接到所述第二刀柄上的第二 金刚石刀头的切削位置相距限定距离，所述限定距离对应于整数个节距间距，其中所述限定距离精确到小于约10微米的公差 内；以及在安装结构中定位第三刀柄，以使得连接到所述第三刀柄上的第 三金刚石刀头的切削位置位于所述第一与第二金刚石刀头的切削 位置之间，以在所述微复制工具中形成连接结构。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中定位所述第三刀柄的步骤还包括 将所述第三金刚石刀头定位在相距所述第一和第二金刚石刀头均为 整数个节距间距加上半个节距间距处，且定位公差小于约IO微米。
19. 根据权利要求17所述的方法，还包括 使用切削工具组件制造微复制工具；以及 使用微复制工具形成微复制结构。
20. —种切削工具组件，包括 安装结构，-安装在所述安装结构中的第一刀柄，所述第一刀柄限定与将在工件 中形成的槽相对应的第一金刚石刀头；以及安装在所述安装结构中的第二刀柄，所述第二刀柄限定与将在所述 工件中形成的连接结构相对应的第二金刚石刀头，其中所述第二金 刚石刀头与所述第一金刚石刀头相距整数个节距间距加上半个节距 间距，节距是指在所述工件中形成的相邻槽之间的距离。
21. 根据权利要求20所述的切削工具组件，还包括安装在所述安装结构 中的第三刀柄，所述第三刀柄限定与将在工件中形成的第二槽相对 应的第三金刚石刀头，其中所述第三金刚石刀头与所述第一金刚石 刀头相距整数个节距，与所述第二金刚石刀头相距整数个节距加上 半个节距。
22. 根据权利要求20所述的切削工具组件，还包括安装在所述安装结构中的第三刀柄，所述第三刀柄限定与将在工件中形成的第二连接结 构相对应的第三金刚石刀头，其中所述第三金刚石刀头与所述第二 金刚石刀头相距整数个节距，与所述第一金刚石刀头相距整数个节 距加上半个节距。
全文摘要
本发明涉及一种切削工具组件，所述组件包括限定多个切削刀头的多个金刚石。在所述切削工具组件内布置第一金刚石以在所述微复制工具中形成第一槽，在所述切削工具组件内布置第二金刚石以在所述微复制工具中形成第二槽，其中所述第一槽和所述第二槽限定要使用所述微复制工具形成的微复制结构的整数个节距间距。此外，在所述切削工具组件中在第一与第二金刚石之间布置有第三金刚石，以在所述微复制工具中在第一与第二槽之间形成连接结构。本发明可通过使用第三金刚石刀头来改善连接结构的形成，而不是让所述连接结构保持在未加工状态并由微复制工具的初始未加工表面来限定。
文档编号B23B27/20GK101287567SQ200680037914
公开日2008年10月15日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月19日
发明者查尔斯·N·德沃尔, 珍妮弗·L·特赖斯 申请人:3M创新有限公司